'탁자 위의 초신성 폭발' 초미니 실험

» 초신성 잔해 '카시오페아자리 A'의 영상. 출처/ NASA

‘카시오페아자리 에이(A)’를 아시나요?

 

카시오페아자리 에이(A)는 초신성 폭발 뒤에 남은 잔해 중 하나로 유달리 불규칙한 구조를 띠고 있어요.

또한 그 잔해 안 자기장이 주변보다 100배나 더 높은 '자기장 증폭'이 있다고 해요.

☞초신성(수퍼노바)

“초신성(超新星, supernova)은 신성(nova)보다 에너지가 큰 항성 폭발을 의미한다. 초신성은 그 광도가 극도로 높으며, 폭발적인 방사선을 일으키기에, 어두워질 때까지 수 주 또는 수 개월에 걸쳐 한 개 은하 전체에 필적하는 밝기로 빛난다. 이 짧은 동안 초신성은 태양이 평생에 걸쳐 발산할 것으로 추측되는 에너지만큼의 방사선 복사를 발한다. 폭발의 결과 항성은 구성 물질의 대부분 또는 전체를 토해낸다. 이때 그 속도는 30,000 km/s (광속의 10%)까지 가속되며, 주위 성간 매질에 충격파를 일으킨다. 충격파가 휩쓸고 간 자리에는 팽창하는 가스와 먼지의 껍질이 남고, 이것을 ‘초신성 잔해’라고 부른다.”(위키백과, ‘초신성’에서)

이 현상의 이유를 알기 위해 영국 옥스퍼드대학과 미국 시카고대학 연구자들이 중심이 된

 

국제 연구팀의 초미니 초신성 폭발 실험은 

영국 러더퍼드애플턴연구소(RAL)의 벌컨(Vulcan) 레이저 설비를 이용해 이뤄졌어요.

시카고대학 연구팀이 제공한 실험장치 그림(아래)을 보며 

초미니 초신성 폭발 실험이 어떻게 진행됐는지 살펴봅시다

.

실험 장치는 우주 공간을 흉내 낸 작은 상자 안에 

밀도가 낮은 우주공간을 흉내 내기 위해 아르곤 기체를 매우 낮은 밀도로 채워 밀폐시킵니다.

상자 안에는 머리카락 굵기의 탄소 막대를 세우는데 탄소 막대는 거대 폭발을 일으킬 항성의 역할입니다.

우주 공간에서 초신성 주변에는 밀도가 상대적으로 높은 기체 구름이나 기체 덩어리가 존재할 수 있는데,

탄소 막대에서 1센티미터 떨어진 곳에 플라스틱 격자를 세워 

밀도가 불균일한 우주 공간에서 밀도 높은 곳을 모사하였어요.

이제 탄소 막대 끝에 3대의 고출력 레이저 빔을 쏘면 곧바로 탄소 막대의 끝은 수백만 도로 가열돼 폭발합니다.

폭발할 때 나는 폭발풍은 순간 팽창을 하며 1센티미터 떨어진 플라스틱 격자를 통과하여 

폭발풍은 난류(turbulence)를 일으킵니다.

'카시오페아자리 A의 초신성 잔해 내부에서 관측되는 유난히 큰 자기장은 

초신성 충격파가 밀도 높은 기체 구름을 통과할 때 난류를 일으키고 

이 때에 ‘자기장 증폭’ 효과가 일어난다는 것을 알 수 있죠. 

또한 플라스틱 격자가 있을 때가 없을 때보다 더 큰 난류가 일어납니다.

≫ 작은 탄소 막대에 레이저 빔을 쏘아 아르곤 기체를 낮은 밀도로 채운 상자 안에 비대칭 충격파를 일으킨다. 충격파가 나아가는 경로에다 표적(탄소막대)에서 1센티미터 떨어진 곳에 격자를 높아두어, 난류를 일으킨다. 충격파와 난류는 슐리렌 이미징 기법을 사용해 레이저 빔 발사 직후 3000억 분의 1초에 포착된다(청-흑 색조). 그림은 거기에다 컴퓨터 시뮬레이션으로 예측한 전자 밀도(청-적 색조)를 얹힌 것이다. 글·그림 출처/ 옥스퍼드대학 보도자료

또한 이 실험은 많은 천문학적 현상들에서 나타난다고 여겨지는 

물리적 과정인 ‘플라스마 상태의 난류(亂流)에 의한 자기장 증폭’을 보여주는 실험 결과”라고 합니다.

자기장은 지금 우주 어디에나 존재하지만 

자기장이 태초에는, 우주대폭발(빅뱅) 당시에는 존재하지 않았다고 연구됩니다.

이 실험은 자기장은 어떻게 생겨났는가?라는 물음에 답을 더해줄 수 있는 것입니다. 

즉 우주에서 자기장은 격렬한 운동과 난류에 의해 증폭돼 왔을 것이라는 추정을

 

실험실 수준에서 보여주는 중요한 실험적 증거가 되었다는 거죠.

■ 동영상 자료

['초신성 폭발' 레이저 실험의 시뮬레이션 동영상 (링크)]

 

≫ 고에너지 상태의 탄소 막대에서 일어난 폭발의 충격파가 팽창하다가 격자 구조를 거치면서 흐트러며 

난류 요동을 일으키는 모습(왼쪽부터 오른쪽으로 진행 과정).

 

['카시오페아자리 A' 초신성 폭발을 보여주는 애니메이션]

재미있지 않나요??

과학에 흥미가 있는 친구들을 UOD가 응원합니다

미래의 과학인재들을 위한 링크